Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Levelshifter 0/3.3 zu -10/-5V 16MHz,


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von jdajul (Gast)


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Hallo, ich habe mir folgende Schaltung überlegt um das Spannungslevel 
von 0/3.3V auf -10/-5V zu wandeln. Die Widerstände sind 100 Ohm, der 
Leistungsbedarf ist erstmal egal (sicherlich keine optimale Schaltung 
für Signalpegel zu schalten ;). Spannungsversorgungen sind noch mit 
Kondensatoren (100uF) stabilisiert. Soweit funktioniert das auch, 
Allerdings habe ich schon bei 1MHz Eingangssignal extreme Überschwinger, 
die sich dann auf den Wunschpegel einschwingen, beim Schalten von 0 auf 
3.3V. Woran kann das liegen und wie könnte ich die weg bekommen?

Gruesse
Julian

von Helmut -. (dc3yc)


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Julian, hast du dir deinen "Schaltplan" mal angeschaut? Kannst du als 
Aussenstehender erkennen, was da gemeint ist? Ich nicht. Also wenn du 
sinnvolle Antworten möchtest, male bitte den Schaltplan sauber lesbar 
und verständlich!

von jdajul (Gast)


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Hier noch ein Oszi-Ausschnitt.
Danke vorab.

von Günni (Gast)


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Grundsätzlich dürfte die Schaltung keine Überschwinger erzeugen. Die 
Versorgungsspannung sollte zusätzlich zum Elko mit 100 nF abgesiebt 
werden, da Elkos ein schlechtes Verhalten gegen hohe Frequenzen haben. 
Ich vermute, dass die Überschwinger durch den Aufbau - speziell die 
Masseführung - bedingt sind. Häufig zeigt ein ungünstigee Masseanachluss 
der Oszillografen-Tastköpfe oder ein fehlerhafter Abgleich 
Überschwinger, die in Wirklichkeit nicht vorhanden sind.

von georg (Gast)


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jdajul schrieb:
> Hier noch ein Oszi-Ausschnitt.

Der zeigt aber was ganz anderes als du möchtest.

Georg

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> Hallo, ich habe mir folgende Schaltung überlegt um das Spannungslevel
> von 0/3.3V auf -10/-5V zu wandeln.

Seit wann sind MOSFETs rechteckige Schaltplansymbole? Und der Rest 
dieses "Konstrukts" ist eine Schmiererei, bei der keiner durchsieht.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Schaltplan_richtig_zeichnen

> Die Widerstände sind 100 Ohm, der

Und warum beschriftest du die Widerstände nicht einfach?

> Leistungsbedarf ist erstmal egal (sicherlich keine optimale Schaltung
> für Signalpegel zu schalten ;). Spannungsversorgungen sind noch mit
> Kondensatoren (100uF) stabilisiert. Soweit funktioniert das auch,
> Allerdings habe ich schon bei 1MHz Eingangssignal extreme Überschwinger,
> die sich dann auf den Wunschpegel einschwingen,

Meßfehler oder Fehler im Aufbau.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Oszilloskop#Tastk.C3.B6pfe_richtig_benutzen

> beim Schalten von 0 auf
> 3.3V. Woran kann das liegen und wie könnte ich die weg bekommen?

Wenn gleich deine Schaltung prinzipiell funktioniert, ist sie nicht 
sonderlich gut, denn Open Drain Stufen mit Arbeitswiderstand sind echten 
Push-Pull Stufen in Geschwindigkeit, Treiberleistung und Stromverbraucht 
deutlich unterlegen. Siehe Anhang. So hätte dein Schaltplan aussehen 
sollen und so könnte man es besser bauen.

von jdajul (Gast)


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Hoffe es ist so besser erkennbar, die beiden Transistoren sind einmal 
PD84001 N-Channel und ISS55EP06LMXTSA1 P-Channel.

von jdajul (Gast)


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Data-Low und Data-High sind die entsprechenden Versorgungsspannungen.

von jdajul (Gast)


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Danke für den Input, die Symbole wurden automatisch von Samacsys 
generiert und haben den passenden Footprint, es ist korrekt dass das 
keine guten Symbole sind.
Tatsächlich hatte ich die normalen Krokoklemmen an den Tastköpfen (10:1, 
Agilent 10074C) aber auch das Messen mit selbstgebauter "Massefeder" 
bringt leider keine Verbesserung. Es scheint also Probleme im Aufbau zu 
geben. Gibt es eine gute Richtlinien-Sammlung für Schaltungsdesign für 
hohe Leistung/hohe Frequenz die ihr mir empfehlen könnt?

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> Danke für den Input, die Symbole wurden automatisch von Samacsys
> generiert und haben den passenden Footprint, es ist korrekt dass das
> keine guten Symbole sind.
> Tatsächlich hatte ich die normalen Krokoklemmen an den Tastköpfen (10:1,
> Agilent 10074C) aber auch das Messen mit selbstgebauter "Massefeder"
> bringt leider keine Verbesserung. Es scheint also Probleme im Aufbau zu
> geben.

Zeig doch mal ein Bild von deinem Aufbau incl. Tastkopf.

> Gibt es eine gute Richtlinien-Sammlung für Schaltungsdesign für
> hohe Leistung/hohe Frequenz die ihr mir empfehlen könnt?

http://www.signalintegrity.com/

Von dem guten Mann gibt auch das Buch

https://www.amazon.de/High-Speed-Digital-Design-Handbook/dp/8131714128/ref=sr_1_1?__mk_de_DE=%C3%85M%C3%85%C5%BD%C3%95%C3%91&crid=L2HSF7POXZMV&dchild=1&keywords=high+speed+digital+design+a+handbook+of+black+magic&qid=1599826596&sprefix=high+speed+digit%2Caps%2C174&sr=8-1

Kostet ein paar Euro, ist aber jeden Cent wert!

Natürlich gibt es noch viel mehr Literatur dazu, u.a. Application Notes 
von Jim Williams (R.I.P.), Z.B. AN 47 "High Speed Amplifier Techniques"

von Joachim B. (jar)


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von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Joachim B. schrieb:
> den Link kann man aber locker kürzen zu

Aber dann bekommt Amazon nicht mehr mit, dass der Falk fleißig Werbugn 
für sie macht. Und Amazon bekommt auch nicht mit, welche leute hier 
miteinander zu tun haben. Das ist nicht in Ordnung, die Daten müssen 
frei fließen, hat die Merkel doch mehrmals so ähnlich gesagt.

von jdajul (Gast)


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Danke für die Empfehlungen, ich schau mir sie an.
Hier noch ein Bild von der Schaltung, das PCB soll später 4 mal die 
gleiche Schaltung beherbergen. Aktuell sind die unbestückt. Die 
Kondensatoren wurden nachträglich eingebaut - im nächsten Design sollte 
das natürlich eingeplant werden. Die Leitungen zu den Kondensatoren sind 
aus diesem Grund relativ lang (1-3cm). Zuleitung Daten ist über 
Signalgenerator-> Coax-> Pinheader Anschlüsse. Die Versorgungsspannungen 
sind über Netzteil und ca 50-70cm Kabel an Pinheader angeschlossen.

von Wolfgang (Gast)


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jdajul schrieb:
> Danke vorab.

Bitte.
Wie ist denn dein Ausgang abgeschlossen?

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> Danke für die Empfehlungen, ich schau mir sie an.
> Hier noch ein Bild von der Schaltung,

Ohje.

> das PCB soll später 4 mal die
> gleiche Schaltung beherbergen. Aktuell sind die unbestückt. Die
> Kondensatoren wurden nachträglich eingebaut

Welche denn? Die fetten Elkos? Ich hoffe, das soll ein Witz sein . . .
Du braucht Entkoppelkondensatoren, 100nF aus Keramik.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Kondensator#Entkoppelkondensator

Ich sehe da gar nichts.

- im nächsten Design sollte
> das natürlich eingeplant werden. Die Leitungen zu den Kondensatoren sind
> aus diesem Grund relativ lang (1-3cm).

Welche Kondensatoren?

> Zuleitung Daten ist über
> Signalgenerator-> Coax-> Pinheader Anschlüsse.

Ich sehe nur bunte Spaghetti.

 Die Versorgungsspannungen
> sind über Netzteil und ca 50-70cm Kabel an Pinheader angeschlossen.

Das ist egal, wenn der Aufbau incl. der Entkoppelkondensatoren passt. Im 
Moment sehe ich bei deinem Aufbau nur "Verbesserungspotential" . . .

von Melinda (Gast)


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Wenn man mit invertiertem Signal leben kann, geht auch eine ganz 
einfache Schaltung sogar ohne die -5V (vereinfacht das Layout) und mit 
nur 3 Bauteilen.

Die leichten Überschwinger an den Schaltflanken sind von der kapazitiven 
Durchkopplung des Steuersignals von der Basis zum Ausgang, das haben 
andere Schaltungen auch, auch die mit Mosfets.

von Falk B. (falk)


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Melinda schrieb:
> Wenn man mit invertiertem Signal leben kann, geht auch eine ganz
> einfache Schaltung sogar ohne die -5V (vereinfacht das Layout) und mit
> nur 3 Bauteilen.

Schön und gut, aber auch diese Schaltung hat einen eher hohen 
Ausgangswiderstand und der Ausgangspegel ist vom Ausgangsstrom abhängig, 
da hier eine Konstantstromquelle auf einen Arbeitswiderstand 
einspeist.

von Melinda (Gast)


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Falk B. schrieb:
> aber auch diese Schaltung hat einen eher hohen
> Ausgangswiderstand und der Ausgangspegel ist vom Ausgangsstrom abhängig

Das ist doch prinzipiell nicht anders als in deiner ersten Schaltung. 
Man kann ja auch so niederohmig dimensionieren. Aber darüber zu 
diskutieren lohnt nur, wenn der TO seine Lastbedingungen nennt.

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> Hoffe es ist so besser erkennbar, die beiden Transistoren sind einmal
> PD84001 N-Channel und ISS55EP06LMXTSA1 P-Channel.

Dein PD84001 ist ein HF-MOSFET, der für bis zu 1GHz gedacht ist, 
allerdings im Linearbetrieb. Den kann man auch schalten, Das ist aber 
nicht optimal.

ISS55EP06LMXTSA1 ist ein 5,5Ohm P-Kanal MOSFET, etwas besser als der 
Klassiker BSS84.

von Falk B. (falk)


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Melinda schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> aber auch diese Schaltung hat einen eher hohen
>> Ausgangswiderstand und der Ausgangspegel ist vom Ausgangsstrom abhängig
>
> Das ist doch prinzipiell nicht anders als in deiner ersten Schaltung.

Nö. MEINE erste Schaltung verwendet ein 74HC08 Gatter mit ca. 30 Ohm 
Ausgangswiderstand, welche für LOW und HIGH wirksam werden.
Die Schaltung des OP verwendet einen Open Drain Ausgang mit 100 Ohm 
Ausgangswiderstand, welche nur bei HIGH wirksam werden. Bei LOW ist es 
der RDSON des MOSFETs, der ist aber im Datenblatt nicht spezifiziert, 
weil der Typ für HF-Verstärker im Linearbetrieb gedacht ist. Was aber 
auch leicht zu parasitären Schwingungen führen kann!

> Man kann ja auch so niederohmig dimensionieren.

Nein, kann man nicht sinnvoll, weil die Schaltung prinzipiell schlechter 
ist, egal wie niederohmig man sie macht.

von Uwe Bonnes (Gast)


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Was spricht gegen hinreichend schnelle 30 Volt Push-Pull Komparatoren?

von Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)


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Habe die Anforderung -10/-5V als +5/-10 Volt gelesen....

von Melinda (Gast)


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Falk B. schrieb:
> MEINE erste Schaltung verwendet ein 74HC08 Gatter mit ca. 30 Ohm
> Ausgangswiderstand, welche für LOW und HIGH wirksam werden.

Typisch Falk.

Du weißt genau welche Schaltung ich meine. Die obere Schaltung in deinem 
Bild mit den 2 Schaltungen, natürlich nicht die mit dem Gatter, das ist 
doch offensichtlich.

von jdajul (Gast)


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Ich habe jetzt noch jeweils an die Versorgung 100nF Kondensatoren 
gelötet, die dicken Elkos am Anfang habe ich hinzugefuegt, weil die 
Spannungsversorgung beim Schalten eingebrochen war. Leider haben die 
100n nichts gebracht. Was schon die ganze Zeit zu beobachten ist, dass 
der Einschwingvorgang vollkommen unabhängig von der Eingangsfrequenz 
ist.

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> Ich habe jetzt noch jeweils an die Versorgung 100nF Kondensatoren
> gelötet, die dicken Elkos am Anfang habe ich hinzugefuegt, weil die
> Spannungsversorgung beim Schalten eingebrochen war. Leider haben die
> 100n nichts gebracht. Was schon die ganze Zeit zu beobachten ist, dass
> der Einschwingvorgang vollkommen unabhängig von der Eingangsfrequenz
> ist.

Ja, sicher, das sieht man ja auf dem Bild. Es klingelt beim Umschalten. 
Ich tippe auf den HF-MOSFET, so ein Beast ist nix für Anfänger. Und auch 
nix für diese Anwendung. Nimm meine Schaltung, da brauchst du für 4 
Kanäle nur einen, einfachen DIL14 IC. Das kann man testweise in 30min 
auf Lochraster aufbauen.

von Falk B. (falk)


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30min später, siehe Anhang. Wie man sieht, ist die fallende Flanke ca. 
25ns verzögert, das kommt vom relativ hochohmigen Pull-Down Widerstand 
am Gatter. Will man die Zeit verkleinern, muss man den Widerstand 
verkleinern, so auf 220, vielleicht auch 100 Ohm, wenn gleich dann die 
Signalquelle schon ordentlich Strom liefern muss.

: Bearbeitet durch User
von jdajul (Gast)


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Falk B. schrieb:
> 30min später, siehe Anhang. Wie man sieht, ist die fallende Flanke
> ca.
> 25ns verzögert, das kommt vom relativ hochohmigen Pull-Down Widerstand
> am Gatter. Will man die Zeit verkleinern, muss man den Widerstand
> verkleinern, so auf 220, vielleicht auch 100 Ohm, wenn gleich dann die
> Signalquelle schon ordentlich Strom liefern muss.

Danke für das Überprüfen deiner Schaltung - ich spiele auch mit dem 
Gedanken dass ganze aufzubauen. Da ich den Chip aber zur Zeit nicht hier 
habe und auch in der Spec dazu nichts gefunden habe: Wie schaut es mit 
der Frequenz aus? Packt der Chip die 16MHz? Trise/fall habe ich mal bis 
zu 6ns gesehen, was ja eigentlich ausreichend sein sollte.

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> der Frequenz aus? Packt der Chip die 16MHz? Trise/fall habe ich mal bis
> zu 6ns gesehen, was ja eigentlich ausreichend sein sollte.

Naja, 16 MHz sind bei 50% Tastverhältnis 31,25ns Pulsbreite, das ist 
selbst mit dem ollen HC-Gatter noch drin. Wenn es schneller sein soll, 
nimmt man halt eine modernere Familie ala AHC oder VHC.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Anderer Vorschlag: Optokoppler. Da gibt es sicher welche, die die 16 MHz 
schaffen und die Pegelshift ist kein Problem mehr.

von Maxim B. (max182)


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Christoph db1uq K. schrieb:
> Anderer Vorschlag: Optokoppler. Da gibt es sicher welche, die die 16 MHz
> schaffen und die Pegelshift ist kein Problem mehr.

Noch besser sind "Digital Isolator", die habe ich für mich vor kurzem 
entdeckt. Z.B. ADUM150N. 13 ns max. Verzögerung, Pulse Width Distortion 
0,5 ns typisch und 4,5 ns max., beide Seiten arbeiten von 1,8 bis 5 
Volt. Eingangsseite mit +3V3 speisen, Ausgangsseite VCC = -5V, GND = 
-10V. Und alles wird bestens funktionieren.

Optokoppler für 16 MHz muß man sehr lange suchen. Und die das können, 
die brauchen auch von beiden Seiten VCC. Digital Isolator ist schneller 
und sparsamer.

Ich bin gerade bei Löten: Iso-JTAG-Adapter mit ADUM151N.

: Bearbeitet durch User
von jdajul (Gast)


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Christoph db1uq K. schrieb:
> Anderer Vorschlag: Optokoppler. Da gibt es sicher welche, die die
> 16 MHz
> schaffen und die Pegelshift ist kein Problem mehr.

Optokoppler hatte ich auch schon getestet, da gibt es welche mit 
15/16MHz. Prinzipiell funktioniert das auch. Allerdings sind da wegen 
meiner Spannungsversorgung einige abgeraucht, weil ich die -5/-10V nicht 
gleichzeitig anlegen konnte und dann beim Einschalten Spannungsdifferenz 
zu gross war.

von jdajul (Gast)


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Habe jetzt auch mal die Schaltung von Falk zusammengebaut. Werde mal ein 
paar Tests damit machen und schauen ob das für meine Anwendung 
ausreichen würde. Wäre natürlich eine super einfache Schaltung und auf 
die Idee mit den And-Gattern wäre ich nicht gekommen..

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> Optokoppler hatte ich auch schon getestet, da gibt es welche mit
> 15/16MHz. Prinzipiell funktioniert das auch. Allerdings sind da wegen
> meiner Spannungsversorgung einige abgeraucht, weil ich die -5/-10V nicht
> gleichzeitig anlegen konnte und dann beim Einschalten Spannungsdifferenz
> zu gross war.

Kompletter Unsinn. Aber wenn du so arbeitest wie du Schaltpläne 
zeichnest, wundert mich nix.

von Maxim B. (max182)


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jdajul schrieb:
> Allerdings sind da wegen
> meiner Spannungsversorgung einige abgeraucht, weil ich die -5/-10V nicht
> gleichzeitig anlegen konnte und dann beim Einschalten Spannungsdifferenz
> zu gross war.

Dann wäre Digital Isolator auch hilflos.

von jdajul (Gast)


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Falk B. schrieb:
> So hätte dein Schaltplan aussehen
> sollen und so könnte man es besser bauen.

Eine Frage noch dazu. Prinzipiell funktioniert das so ja, bei Low Input 
wird  am 2. Eingang das Potential zu -10 gezogen. Bei High wäre die 
Spannung am Eingang aber ja 3.3V zu -10V, also 13V. Die max 
Eingangsspannung wird aber nur als Vcc+0.1V definiert. Und wieso 
schaltet die 3.3V den Eingang auf -5V,
sowohl 0V als auch 3.3 V sind doch groesser als -5V, müsste also beides 
auf High gehen oder?

von Falk B. (falk)


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jdajul schrieb:
> Eine Frage noch dazu. Prinzipiell funktioniert das so ja, bei Low Input
> wird  am 2. Eingang das Potential zu -10 gezogen. Bei High wäre die
> Spannung am Eingang aber ja 3.3V zu -10V, also 13V.

Das ist die Differenz, ja. Aber ist nebensächlich.

> Die max
> Eingangsspannung wird aber nur als Vcc+0.1V definiert.

sicher, aber VCC ist hier auf -5V, bezogen auf GND.

> Und wieso
> schaltet die 3.3V den Eingang auf -5V,
> sowohl 0V als auch 3.3 V sind doch groesser als -5V, müsste also beides
> auf High gehen oder?

Schon mal bemerkt, daß da eine 8,2V Z-Diode dazwischen hängt? Die macht 
die Pegelanpassung, denn die hat ansatzweise konstante 8,2V 
Spannungsabfall. D.h. der EIngang des Gatters ist immer 8,2V niedriger 
als der Eingang der Schaltung (IN).

IN = 0V = Gattereingang = -8,2V = -10V+1,8
IN = 3,3V = Gattereingang = -5,1V = -10+5,1V

D.h. der LOW-Pegel am Gattereingang ist etwas hoch, praktisch ist das 
aber OK. Wer es akademis schön machen will, nimmt einen 9,1V Z-Diode, 
damit geht LOW auf 0,9V aus Sicht des Gattereingangs und HIGH auf 4,2V.

Der Trick ist, daß die Masse des Gattes auf -10V liegt und eben nicht 
auf GND = 0V.

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